Natura luminii a fost o controversă majoră în științe în anii 1600, iar prismele au fost în centrul furtunii. Unii oameni de știință credeau că lumina este un fenomen de undă, iar unii credeau că este o particulă. Fizicianul și matematicianul englez Sir Isaac Newton se afla în fosta tabără - probabil liderul său - în timp ce filosoful olandez Christiaan Huygens a condus opoziția.
Controversa a dus în cele din urmă la compromisul că lumina este atât o undă, cât și o particulă. Această înțelegere nu a fost posibilă până la introducerea teoriei cuantice în anii 1900 și, timp de aproape 300 de ani, oamenii de știință au continuat să efectueze experimente pentru a-și confirma punctul de vedere. Una dintre cele mai importante prisme implicate.
Faptul că o prismă dispersează lumina albă formând un spectru ar putea fi explicat atât prin teoria valurilor, cât și prin teoria corpusculară. Acum, când oamenii de știință știu că lumina este de fapt compusă din particule cu caracteristici de undă numite fotoni, ele au o idee mai bună despre ceea ce cauzează dispersia luminii și se pare că are mai mult de-a face cu proprietățile undei decât corpusculare cele.
Refracția și difracția apar deoarece lumina este un val
refracția luminiieste motivul pentru care o prismă dispersează lumina albă formând un spectru. Refracția are loc deoarece lumina se deplasează mai lent într-un mediu dens, cum ar fi sticla, decât în aer. Formarea unui spectru, din care curcubeul este componenta vizibilă, este posibilă deoarece lumina albă este compus de fapt din fotoni cu o gamă întreagă de lungimi de undă și fiecare lungime de undă se refractează la o diferită unghi.
Difracția este un fenomen care apare atunci când lumina trece printr-o fantă foarte îngustă. Fotonii individuali se comportă ca niște valuri de apă care trec printr-o deschidere îngustă într-un dig. Pe măsură ce valurile trec prin deschidere, ele se îndoaie în jurul colțurilor și se întind și, dacă permiteți unde să lovească un ecran, vor produce un model de linii luminoase și întunecate numite difracție model. Separarea liniei este o funcție a unghiului de difracție, a lungimii de undă a luminii incidente și a lățimii fantei.
Difracția este în mod clar un fenomen de undă, dar puteți explica refracția ca urmare a propagării particulelor, așa cum a făcut Newton. Pentru a vă face o idee exactă despre ceea ce se întâmplă de fapt, trebuie să înțelegeți ce este de fapt lumina și cum interacționează cu mediul prin care călătorește.
Gândiți-vă la lumină ca la impulsuri de energie electromagnetică
Dacă lumina ar fi o undă adevărată, ar avea nevoie de un mediu prin care să călătorească, iar universul ar trebui să fie umplut cu o substanță fantomatică numită eter, așa cum credea Aristotel. Experimentul Michelson-Morley a dovedit că nu există un astfel de eter eter, totuși. Se pare că de fapt nu este necesar pentru a explica propagarea luminii, chiar dacă lumina se comportă uneori ca o undă.
Lumina este un fenomen electromagnetic. Un câmp electric în schimbare creează un câmp magnetic și invers, iar frecvența modificărilor creează impulsurile care formează un fascicul de lumină. Lumina călătorește cu o viteză constantă atunci când călătorește printr-un vid, dar când călătorește printr-un mediu, impulsurile interacționează cu atomii din mediu, iar viteza undei scade.
Cu cât este mai dens mediul, cu atât mai lent se deplasează fasciculul. Raportul vitezei incidentului (vEu) și refractat (vR) lumina este o constantă (n) numită indicele de refracție pentru interfață:
n = \ frac {v_I} {v_R}
De ce o prismă dispersează lumina albă formând un spectru
Când un fascicul de lumină lovește interfața dintre două medii, acesta schimbă direcția, iar cantitatea de schimbare depinde de n. Dacă unghiul de incidență esteθEu, și unghiul de refracție esteθR, raportul unghiurilor este dat deLegea lui Snell:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Mai este o piesă de puzzle de luat în considerare. Viteza unei unde este un produs al frecvenței și lungimii sale de undă, precum și al frecvențeifa luminii nu se schimbă pe măsură ce trece prin interfață. Asta înseamnă că lungimea de undă trebuie să se schimbe pentru a păstra raportul notat cun. Lumina cu o lungime de undă incidentă mai mică este refractată la un unghi mai mare decât lumina cu o lungime de undă mai mare.
Lumina albă este o combinație de lumină a fotonilor cu toate lungimile de undă posibile. În spectrul vizibil, lumina roșie are cea mai mare lungime de undă, urmată de portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet (ROYGBIV). Acestea sunt culorile curcubeului, dar le veți vedea doar dintr-o prismă triunghiulară.
Ce este special la o prismă triunghiulară?
Când lumina trece de la un mediu mai puțin dens la un mediu mai dens, la fel ca atunci când intră într-o prismă, se împarte în lungimile sale de undă componente. Acestea se recombină atunci când lumina iese din prismă și, dacă cele două fețe ale prismei sunt paralele, un observator vede lumina albă ieșind. De fapt, la o inspecție mai atentă, sunt vizibile o linie roșie subțire și una violetă subțire. Sunt dovezi ale unghiurilor ușor diferite de dispersie cauzate de încetinirea fasciculului de lumină din materialul prismei.
Când prisma este triunghiulară, unghiurile de incidență pe măsură ce fasciculul intră și iese din prismă sunt diferite, deci și unghiurile de refracție sunt diferite. Când țineți prisma la unghiul adecvat, puteți vedea spectrul format de lungimile de undă individuale.
Diferența dintre unghiul fasciculului incident și cel al fasciculului emergent se numește unghiul de deviere. Acest unghi este în esență zero pentru toate lungimile de undă atunci când prisma este dreptunghiulară. Când fețele nu sunt paralele, fiecare lungime de undă apare cu propriul său unghi caracteristic de deviere, iar benzile curcubeului observat cresc în lățime cu creșterea distanței față de prismă.
Picăturile de apă pot acționa ca niște prisme pentru a forma un curcubeu
Fără îndoială că ați văzut un curcubeu și s-ar putea să vă întrebați de ce îi puteți vedea numai atunci când soarele este în spatele vostru și vă aflați într-un anumit unghi față de nori sau față de un ploaie. Lumina se refractează în interiorul unei picături de apă, dar dacă aceasta ar fi întreaga poveste, apa ar fi fost între voi și soare și nu asta se întâmplă de obicei.
Spre deosebire de prisme, picăturile de apă sunt rotunde. Lumina soarelui incidentă se refractează la interfața aer / apă, iar unele dintre ele călătoresc și apar din cealaltă parte, dar nu aceasta este lumina care produce curcubee. O parte din lumină se reflectă în interiorul picăturii de apă și iese din aceeași parte a picăturii. Aceasta este lumina care produce curcubeul.
Lumina de la soare are o traiectorie descendentă. Lumina poate ieși din orice parte a picăturii de ploaie, dar cea mai mare concentrație are un unghi de deviere de aproximativ 40 de grade. Colecția de picături din care iese lumina în acest unghi special formează un arc circular în cer. Dacă ați putea vedea curcubeul dintr-un avion, ați putea vedea un cerc complet, dar de la sol, jumătate din cerc este tăiat și vedeți doar arcul tipic semicircular.
